【正文】 .............................. 8 二、串并行 AD 轉(zhuǎn)換器的選取 ................................ 8 三、 AD 轉(zhuǎn)換器芯片型號(hào)的選取 .............................. 8 第三節(jié) 控制模塊 ........................................ 8 一、繼電器的介紹 ........................................ 8 第四節(jié) 顯示模塊 ........................................ 9 一、 LED 顯示器 ........................................... 9 二、 LCD 顯示器 ........................................... 9 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) ..................................... 10 第一節(jié) 單片機(jī) AT89C51 .................................. 10 一、主要特性 ........................................... 11 二、特性概述 ........................................... 11 三、管腳說明 ........................................... 11 四、內(nèi)部結(jié)構(gòu) ........................................... 14 第二節(jié) 壓力傳感器 ...................................... 14 一、性能特點(diǎn) ........................................... 15 二、產(chǎn)品主要參數(shù) ....................................... 15 三、工作原理 ........................................... 16 第三節(jié) A/D 轉(zhuǎn)換器 ...................................... 16 一、 TLC0834 主要特點(diǎn) .................................... 16 二、工作特點(diǎn) ........................................... 16 三、引腳功能 ........................................... 17 四、 AD 轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)硬件接口電路 ....................... 18 第四節(jié) LCD 顯示器 ...................................... 18 第五節(jié) 繼電器輸出 ...................................... 19 第六節(jié) 時(shí)鐘電路 ....................................... 20 第七節(jié) 穩(wěn)壓電源 ........................................ 21 一、穩(wěn)壓電源工作原理 .................................... 21 二、 LM7805 ............................................. 21 第八節(jié) 報(bào)警電路 ........................................ 23 第九節(jié) 看門狗及復(fù)位 .................................... 23 一、 X25045 ............................................. 24 二、復(fù)位電路 ........................................... 24 三、單片機(jī)與看門狗、復(fù)位電路圖 .......................... 25 第四章 軟件設(shè)計(jì)和仿真 .................................. 26 第一節(jié) 軟件設(shè)計(jì)基本步驟 ................................. 26 第二節(jié) 水塔水位控制主程序 ............................... 26 第三節(jié) 顯示與 A/D 轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)處理 ........................ 27 第四節(jié) 中斷報(bào)警程序 .................................... 29 第五節(jié) 看門狗程序 ...................................... 30 第六節(jié) 系統(tǒng)仿真電路圖 .................................. 31 第五章 總結(jié) ............................................ 33 參考文獻(xiàn) ............................................... 34 致謝 ................................................... 35 天津科技大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 第 一 章 緒論 第一節(jié) 課題背景與研究意義 中國水資源總量居世界第六位，但人均占有量僅為世界人均占有量的四分之一，并且在地域上分布很不平衡，長江以北的廣大地區(qū)，特別是北方大、中城市大部分地區(qū)處于缺水狀態(tài)，水資源短缺已成為制約我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)重要因素。通常是將應(yīng)變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變 的 基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時(shí)，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。傳統(tǒng)的控水系統(tǒng)存在著許多問題，例如控制精度低、能耗大等缺陷。 水塔智能水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) THE DESIGN OF CONTROL SYSTEM OF INTELLIGENT WATER TOWER 專業(yè)：測控技術(shù)與儀器 姓名： 王炯 指導(dǎo)教師： 申請學(xué)位級(jí)別：學(xué)士 論文提交日期： 2020 年 6 月 學(xué)位授予單位：天津科技大學(xué) 摘 要 我們的生命離不開水，供水問題是我們生活中必須面對的問題。水塔智能水位控制系統(tǒng)的成本低，安裝方便，靈敏度高，是節(jié)能環(huán)保 、 節(jié)約水資源，方便生活的水塔水位控制 的 理想裝置。這種應(yīng)變片在受力時(shí)產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過后續(xù)的儀表放大器進(jìn)行放大 、 濾波 ， 然后輸入到串行的 A/D 轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行模 ?數(shù)轉(zhuǎn)換，模 ?數(shù)轉(zhuǎn)換以后得到的數(shù)字信號(hào)直接送入單片機(jī)，經(jīng)過單片機(jī)分析處理后根據(jù)相應(yīng)的結(jié)果通過繼電器對水泵電機(jī)進(jìn)行控制，從而進(jìn)行對水位的控制 ， 與 此同時(shí)將測量結(jié)果顯示出來。合理的利用水資源已成為我國現(xiàn)在急需解決的一個(gè)重要問題。而住宅小區(qū)用戶用水的多少是經(jīng)常變動(dòng)的，因此供水不足或供水過剩的情況時(shí)有發(fā)生。不論當(dāng)今社會(huì)經(jīng)濟(jì) 如何飛速發(fā)展，水在人們正常生活和生產(chǎn)中依然起著不可替代的重要作用。在實(shí)際供水過程中要確保水位在允許的范圍內(nèi)浮動(dòng)，應(yīng)采用電壓控制水 位。其中較為常用的是由單片機(jī)控制的智能水位控制系統(tǒng)，它實(shí)現(xiàn)了水位的自動(dòng)控制、實(shí)時(shí)顯示、故障報(bào)警等功能，使水塔內(nèi)水位保持恒定，從而提高了水塔供水系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。 根據(jù)測量水位的感應(yīng)元件與被測水位是否接觸，水位測量控制系統(tǒng)通常分為接觸型和非 接觸型兩大類。而現(xiàn)階段的水塔智能控制系統(tǒng)常采用三種手段可實(shí)現(xiàn)上 述功能。若水位正常，此時(shí)水塔傳感器下限液位向 PLC 輸入一個(gè)固定值，表示現(xiàn)在水位高于 下限水位。 三、 光纖傳感器在水塔水位檢測中的應(yīng)用研究：該方案的檢測系統(tǒng)分別由中央控制式的中央監(jiān)控單元和現(xiàn)場采集單 (或數(shù)據(jù)采集單元 )組成。所有的光纖液位傳感器及光纖液位報(bào)警器都可以通過一對雙絞線串接在一起，節(jié)省了空間、簡化了布線。 天津科技大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 第 二 章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 第一節(jié) 本課題對水塔智能水位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使用 是 以 AT89C51 單片機(jī)為核心，由測量模塊、控制模塊、顯示模塊、電源模塊、時(shí)鐘復(fù)位等組成。 壓 力 傳 感 器 壓 力 信 號(hào) 水泵電機(jī) 模 數(shù) 轉(zhuǎn) 換 單 片 機(jī) 顯示模塊 報(bào)警模塊 電源模塊 繼電器控制 天津科技大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 圖 22水塔智能水位控制系統(tǒng)測試控制流程圖 第二節(jié) 測量模塊 水位測量早期大多采用機(jī)械原理 ,但近些年由于電子技術(shù)發(fā)展迅速，逐步應(yīng)用了機(jī)電一體化，并且發(fā)展了許多新的測量原理。 一 、 水位測量原理分類 隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，發(fā)展了許多新的測量原理，一批具有智能控制功能、可實(shí)現(xiàn)非接觸測量、精度高、穩(wěn)定性好的水位計(jì)相繼問世，并應(yīng)用 到越來越多的工業(yè)測量領(lǐng)域，如基于超聲波、雷達(dá)、光纖等技術(shù)的水位測量儀。此種方法有檢測簡單、直觀、成本低的優(yōu)點(diǎn)，但 檢 測程有限，且不適于惡劣環(huán) 境中的檢測。該技術(shù)基于超聲波在空氣中的傳播速度及遇到被測物體表面產(chǎn)生反射的原理。 4．雷達(dá)水位計(jì)：雷達(dá)水位計(jì)發(fā)明于 60 年代，通常采用調(diào)頻雷達(dá)原理，利 用同步 天津科技大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 調(diào)頻脈沖技術(shù)，將微波發(fā)射器和接收器安裝在罐頂，向液面發(fā)射頻率調(diào)制的微波信號(hào)。雷達(dá)水位計(jì)的檢測精度較高，而且無需定期維修和重新定標(biāo)，但是安裝比較復(fù)雜且價(jià)格不菲。射線水位計(jì)安裝非常方便，檢測精度較高。光，照射到被測液面，在液面處發(fā)生反射，接收傳感器接收反射光，將從發(fā)射至接收的時(shí)間換算成水位。 二、 壓力傳感器 壓力傳感器是 將壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出的傳感器。有時(shí)把這兩種元件的功能集于一體。 第二節(jié) 模數(shù)轉(zhuǎn)換 當(dāng)壓力傳感器檢測出水塔的液位高度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出時(shí)，此信號(hào)為模擬信號(hào)仍然不能直接送給單片機(jī)進(jìn)行分析比較，需要在送 單片機(jī)之前進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換（ AD 轉(zhuǎn)換） ,將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)再傳送給單片機(jī)。 二、 串并行 AD 轉(zhuǎn)換器的選取 串行 AD轉(zhuǎn)換器比并行 AD 轉(zhuǎn)換器節(jié)約串口資源，沒有并行 8 位通道間的相互干擾，現(xiàn)在已被越來越廣泛的應(yīng)用于電子設(shè)計(jì)中，故本次設(shè)計(jì)選用的就是串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器。 第三節(jié) 控制模塊 本文對水塔水位所設(shè)計(jì)控制模塊主要包括以單片機(jī)為核心的，通過繼電器控制的水泵的工作過程的設(shè)計(jì)。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會(huì)流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會(huì)在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開觸點(diǎn)）吸合。 常用的繼電器可分為電流繼電器、電壓繼電器、中間繼電器、時(shí)間繼電器、熱繼電器以及干簧繼電器等。 （ 4）中間繼電器具有觸點(diǎn)多、觸點(diǎn)電流大和動(dòng)作靈敏等特點(diǎn)，常用于某一電器與被控電路之間，以擴(kuò)大電器的控制觸點(diǎn)數(shù)量和容量。 第四節(jié) 顯示模塊 測控系統(tǒng)中常用的測量數(shù)據(jù)的顯示器有發(fā)光二極管顯示器（ LED）和液晶顯示器（ LCD）兩種。 為了在 LED 上顯示數(shù)字，必須將要顯示的數(shù)字轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的段選碼，這可通過硬件譯碼或軟件譯碼來實(shí)現(xiàn)，硬件譯碼電路由鎖存器、譯碼器、驅(qū)動(dòng)器組成，鎖存器用于所存每位要顯示數(shù)字的四位二進(jìn)制代碼或 BCD 碼，譯碼器通過驅(qū)動(dòng)器與 LED 顯示器的 8個(gè)發(fā)光二極管相連，使相應(yīng)段的二極管點(diǎn)亮，顯示出數(shù)字或字符。 缺點(diǎn)二：容易產(chǎn)生影像拖尾現(xiàn)象 (例如鼠標(biāo)指針快速晃動(dòng) )，這是由于普通液晶屏多為 60Hz(每秒顯示 60幀 )，而 CRT 多為 85Hz(每秒 85 幀 )。 缺點(diǎn)五：壽命有限 [2]。因此，液晶顯示器畫質(zhì)高且不會(huì)閃爍。 所以本次設(shè)計(jì)針對水塔水位高度的顯示選用了 LCD 顯示器。 單 片機(jī) 的可擦除 只讀存儲(chǔ)器 可以反復(fù)擦除 1000 次。 與 MCS51 兼容 全靜態(tài)工作： 0Hz24MHz 兩個(gè) 16 位 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 二、 特性概述 AT89C51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 4k字節(jié) Flash閃速存儲(chǔ)器 ， 128字節(jié)內(nèi)部 RAM，32 個(gè) I/O 口線，兩個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 5向量兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工 串行通信 口，片內(nèi)振蕩器及 時(shí)鐘電路 。 三、